氫能經濟的反思

一、引言

    在過去的近兩個世紀中，人類社會的能源消費均建立在化石燃料的基礎之上。為了避免在未來出現因為繼續大規模使用化石燃料而導致人類福利下降的結果，我們應該尋找一種新的、清潔的、可持續的以及本地化的能源系統。在這種背景下，以氫作為中間媒介的能源系統——氫能系統引起了人們的廣泛關注，同時，整個社會的能源需求均由氫提供的“氫能經濟”的提法也逐漸為人們所熟悉。不少人堅信，在不久的將來，受燃料電池和CO2減排兩大驅動力的推動，氫能系統將被大規模推廣，氫能經濟即將實現。然而，通過理性的分析，本文認為，氫能系統的推廣還存在很多障礙，氫能經濟的實現也不能一蹴而就，我們并不能盲目樂觀。下面從氫的生產和利用兩個方面來展開論述。

二、氫從何而來？

    氫的確是一種理想的燃料，在純氧中燃燒或通過燃料電池發電只生成水，而不排放其它污染物。但是，地球上自然條件下不存在游離態的氫，氫并非一次能源，其本質是一種傳遞和分配能量的工具，通常需要一種一次能源分解含氫原料、產生游離態的氫。所以，氫能系統要滿足“清潔的”和 “可持續的”要求，生產氫所用的一次能源本身就必須是“清潔的”和“可持續的”，否則，與現有的能源系統相比，氫能系統將喪失其最大的優勢。“清潔的”和“可持續的”一次能源包括太陽能、風能、水能和生物質能等，不包括化石燃料，所以，“清潔的”和“可持續的”氫能系統中氫的生產方式可以是：太陽能、風能和水能發電電解水，生物質氣化分解（全生命周期內的碳循環是閉合的），光化學、熱化學或生物化學方法分解水等。化石燃料分解和化石燃料發電電解水（實質是將污染排放從制氫環節轉移到了電能的生產環節）的方案則不在此列。

但是上述人選制氫方案的推廣還需要解決一系列問題：

1）電解水技術的效率和成本不夠理想。如果利用當前的電解技術，只有在發電成本為零的情況下才可能使氫氣達到能夠與天然氣競爭的水平。

2）太陽能發電電解水方案被采用最主要的障礙是光伏發電的成本太高(0.10美元/KWh)。美國能源部光伏發電計劃的長期目標是0．065美元／kwh，即使這個目標得以實現，氫氣的生產成本預計將降到22美元／GJ，仍然超過天然氣當前市場價格的4倍。此外，太陽能發電還要受到地域的限制。不論是在本地電解水制氫、然后輸氫到終端用戶，還是輸電至終端用戶、再電解水制氫，都涉及到能量（氫或電）長距離輸送的成本和損失問題。

3）風力發電比光伏發電經濟，其成本為0．07－0．09美元/KWh；但風能發電受地域的限制比太陽能發電更加明顯。

4）水能發電的成本可以降到很低（從每千瓦時幾美分到 0．025美元/KWh不等。但水能發電同樣受到地域的限制；而且，水電本身就是一種成本很低的可再生能源，將其用于氫生產是否劃算涉及到未來能源系統中能量載體的選擇問題，后文將詳細討論。

5）至于生物質氣化分解和光化學、熱化學或生物化學方法分解水的方案，目前其相關技術尚未成熟，能否推廣、怎樣推廣仍然是一個未知數。

三、氫如何利用？

    從使用設備來分，氫的終端利用方式可分為兩種：固定式和移動式，前者如分布式能源發電技術，后者如燃料電池汽車。 從轉化技術來分，氫的終端利用方式可分為兩種：直接燃燒和燃料電池發電。其中，氫氣在空氣中直接燃燒生成水和氮氧化合物（空氣中含有78％的氮氣），只有在純氧中燃燒才只生成水；而氫氣輸入燃料電池發電的產物只有水，達到了“零排放”（僅對終端利用環節而言），此外，燃料電池還具有不受卡諾循環限制、能量轉化效率高的優點，所以，燃料電池技術成為了世界各國競相研究的熱點，同時，它也是氫能經濟的直接推動力之一。

然而，要實現氫能經濟，氫的終端利用也存在若干問題：

l）燃料電池技術：目前，質子交換膜燃料電池是最具發展前景的燃料電池。它具有可室溫快速啟動、無電解液流失、易排水、壽命長、比功率與比能量高等優點，特別適合作可移動動力源，也可以建成分布式電站和家庭動力源。但是，要實現質子交換膜燃料電池的商業化，必須大幅度降低其成本，例如，德國的戴姆勒一克萊斯勒公司擬于2004年投放市場的 Mercedes—Benz A級燃料電池汽車的售價仍高達 18100美元/輛。質子交換膜燃料電池成本的降低，一方面要依靠技術的進步，尤其是膜的技術和膜所用鉑材料的替代與回收技術；一方面還要依靠生產規模的擴大，如大公司或生產商之間的聯合。而這一切都需要時間。

2）氫基礎設施：離開了包括氫的儲存、運輸和加注等環節在內的氫基礎設施，燃料電池技術的推廣和氫能經濟的實現都只能是空中樓閣。如何解決氫的獨特物理性質給氫基礎設施建設帶來的一系列技術問題，如何根據燃料電池技術的發展階段來確定適當的氫基礎設施規模，以至最終以氫基礎設施代替現有的整個能源輸配系統而實現氫能經濟，這些都需要資金和人力的巨大投入。

3）氫安全性：氫的獨特物理性質決定了其不同于其它燃料的安全性問題，如更寬的著火范圍、更低的著火能、更容易泄漏、更高的火焰傳播速度、更容易爆炸等。要正確地評價并解決這些問題，要讓大眾從心理上接受這種新的燃料，還需要進行大量的工作，并制定出相關的全套規范。

4）未來能源系統中能量載體的選擇：“氫能經濟”的概念最早于上個世紀七十年代被提出意在以大規模的氫氣管網代替現有的電力輸送管網，進而以氫氣代替電成為未來能源系統中能量輸送的理想載體。普林斯頓大學的Ogden等人曾提出，通過氫氣管網進行長距離能量輸送的成本比通過輸電線的成本要低得多。除去氫氣管網和輸電線具體的技術選擇有可能影響比較的結果不說，文認為，上述觀點也是比較片面的，因為它沒有考慮到氫氣終端利用的附加成本。輸電線把電能輸送到終端后可以直接使用，而氫氣管網把氫輸送到終端后并不能直接使用——如果氫氣以燃料電池發電的方式利用，必然要考慮到燃料電池本身的成本；如果氫氣以直接燃燒的方式利用，要使其和電能一樣清潔，必然要考慮到空氣分離設備（得到純氧）或催化轉化器（除去在空氣中燃燒得到的氮化物）的成本。綜合考慮燃料電池、空氣分離設備或催化轉化器的附加成本后，氫氣的總使用成本不一定比電的總使用成本低，那么，氫氣不一定比電更適合作未來能源系統中能量輸送的載體。本文認為，更現實的“氫能經濟”應該是指將氫氣在技術上作為“電池”使用，為獨立的間歇能源（太陽能或風能）提供平穩的連續性，或者在電網設施中延長能量供應周期；至于未來能源系統中能量載體的正確選擇，還有待于各方面技術的發展和評價指標的完善。

四、總結和展望

    以上從氫的生產和利用兩個方面分析了推廣氫能系統的困難，這些都是實現氫能經濟的障礙，而且不可能在短期內完全解決。所以，對于那些對氫能經濟過分樂觀的言論，我們應該有清醒的認識。 但是，這些困難的存在是不是意味著氫能經濟的前景一片暗淡呢？答案當然是否定的。本文認為，一種技術的選擇和推廣是環境性、經濟性、技術成熟度、政府行為、社會心理等多種因素綜合作用的結果。例如，雖然目前氫氣的生產成本居高不下，但我們可以把獲得局部的環境效益作為推廣氫能系統的動力之一。具體說來，在我國污染比較嚴重的大城市，近期可以采用化石燃料發電電解水制氫的方法來推廣燃料電池公共汽車——該方案的環境性好于燃用化石燃料的傳統汽車，經濟性好于可再生能源電解水制氫，技術上公共汽車的運營特性比較適于集中統一建造加氫站等基礎設施，一言以蔽之，環境性、經濟性和技術成熟度在特定的時間和空間下找到了最佳的平衡點。當然，政府的決策和支持也是該方案順利實現的必要條件之一。

    同時，從另一個角度來看，本文所總結的實現氫能經濟的一系列障礙，恰好指明了氫能技術研究和發展的主要方向。 由上可見，氫能系統在近期并不是無法推廣，只是針對不同時間和空間下的環境性、經濟性、技術成熟度、政府行為、社會心理等條件，應該客觀地采取不同的氫能系統發展策略。長期來看，氫仍然是未來能源系統中能量載體的最優選擇之一。本文深信，經過人類不懈的努力，實現氫能經濟的各種條件一定會逐步成熟，理想中的氫能時代一定會到來。